摘要

在設(shè)計過程的早期，通過評估密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)部噪音的能力對汽車制造商來說是非常重要的。當(dāng)密封設(shè)計不充分時，產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲會使車輛的風(fēng)噪聲性能不被接受。使用傳統(tǒng)的實驗過程設(shè)計密封件是具有挑戰(zhàn)性的，因為在計劃密封件時，不知道低噪聲源的位置和強(qiáng)度。在模具確定后改變密封件對制造商來說是昂貴的。因此，在設(shè)計過程的早期，人們需要使用可靠的計算能力來預(yù)測通過密封傳輸?shù)膬?nèi)部噪聲。

目前的研究提出了一種計算方法可用于預(yù)測通過密封件傳輸?shù)膬?nèi)部噪聲。該計算方法采用基于晶格玻爾茲曼方法（LBM）的計算流體動力學(xué)（CFD）求解器來預(yù)測瞬態(tài)流場和外部噪聲源。使用統(tǒng)計能量分析（SEA）求解器通過玻璃面板和密封件將這些聲源的噪聲傳輸?shù)綑C(jī)艙。實驗通過玻璃面板、窗密封和門密封傳遞的噪聲進(jìn)行了量化，允許驗證計算預(yù)測。通過詳細(xì)的流量分析，深入了解密封件和玻璃面板上的噪聲源和外部負(fù)荷。該計算過程可以在車輛開發(fā)過程的早期用于設(shè)計有效的密封件，以改善風(fēng)噪聲性能。

介紹

實現(xiàn)低水平的風(fēng)噪對汽車制造商來說很重要，特別是對高端汽車行業(yè)的制造商。雖然通過車身底部面板傳播的風(fēng)噪是造成艙內(nèi)噪音的主要原因，但如果不仔細(xì)處理這些噪音路徑，通過門窗密封系統(tǒng)的噪音路徑可能會成為主導(dǎo)地位。因此，實現(xiàn)正確預(yù)測風(fēng)噪水平的一個重要方面是通過車輛內(nèi)密封件的適當(dāng)設(shè)計。實驗測試不同密封方案的空氣聲學(xué)性能，通常包括原型設(shè)計，原型密封的制造和昂貴的風(fēng)洞實驗。原型測試相對較晚的性質(zhì)可能導(dǎo)致后期的設(shè)計變更和重新制造費用。為了降低成本和開發(fā)時間，我們希望在車輛開發(fā)過程的早期階段使用仿真技術(shù)來評估性能。模擬汽車內(nèi)部噪音，預(yù)測客戶在路上行駛時將體驗到的噪音。通過結(jié)合計算流體動力學(xué)（CFD）預(yù)測外部壓力，結(jié)合統(tǒng)計能量分析（SEA）模型預(yù)測傳播到乘員耳朵的噪音。實驗驗證是在空氣風(fēng)洞中獲得的，采用門和玻璃密封，以減弱密封對內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)。為了滿足現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程的時間要求，需要一個密封傳輸?shù)暮喕硎?。選擇的方法是用聲音傳輸損失的頻譜（TL）來描述密封噪聲傳輸，這種方法允許有限元方法的模擬精度，也可以很好地適應(yīng)以前研究中描述的玻璃面板的SEA建模方法。本文詳細(xì)描述了在風(fēng)洞中測試的SUV車輛的細(xì)節(jié)，并且描述了相應(yīng)的流體（CFD）和結(jié)構(gòu)聲學(xué)（SEA）模擬過程，對使用不同車輛配置的結(jié)果進(jìn)行了比較。

實驗研究法

氣動風(fēng)洞

由捷豹路虎（JLR）生產(chǎn)的路虎運動版在德國斯圖加特的FKFS全尺寸風(fēng)洞中進(jìn)行了實驗測試。該車輛安裝在該設(shè)施中的照片如圖1所示。

圖1  風(fēng)洞測試設(shè)施密封線被粘在外部，以減少來自非模擬區(qū)域的噪音。車輛進(jìn)行測試時，所有的玻璃面板的內(nèi)部覆蓋了隔音面板，以減弱面板傳輸，增加傳輸路徑的信噪比。所有的膠帶和支撐都在內(nèi)部。通過應(yīng)用與以往研究中相同的窗口貢獻(xiàn)方法，詳細(xì)研究了左前門的貢獻(xiàn)。這涉及交替阻塞和疏通門密封線、側(cè)玻璃和玻璃密封，以便評估不同的貢獻(xiàn)。在密封件的內(nèi)部應(yīng)用了模型粘土，以進(jìn)一步減弱聲學(xué)傳輸。圖2顯示了定制的左前側(cè)玻璃絕緣安裝與膩子阻塞玻璃密封變速器。此配置用于突出門密封的貢獻(xiàn)。請注意，此車輛設(shè)計在整個車門周圍的邊緣密封。

圖2  左正面玻璃保溫細(xì)節(jié)與玻璃密封膩子

一個雙耳頭被放置在左前座位置，記錄每個耳朵位置的內(nèi)部噪音。本文評估了流速和偏航角的范圍，本文給出了130km/h，0度偏航情況下的結(jié)果。圖3顯示了在門密封系統(tǒng)內(nèi)部側(cè)應(yīng)用的面板絕緣、雙耳頭和堵塞膩子。在這種配置中，交替去除側(cè)玻璃絕緣或玻璃密封膩子，以強(qiáng)調(diào)這些噪聲源和路徑。當(dāng)密封路徑被堵塞時，外部密封線也被膠帶密封，如圖1所示。

圖3   用雙耳頭和門密封膩子處理內(nèi)部

為了與模擬的SEA聲學(xué)模型進(jìn)行比較，在頻譜中對左右耳麥克風(fēng)的平均方波動壓力進(jìn)行平均。

密封傳輸實驗

在JLR半無回聲聲學(xué)測試設(shè)施中進(jìn)行了測試，以估計密封傳輸系數(shù)。麥克風(fēng)放置在外部密封位置附近表面。這些麥克風(fēng)與密封線的距離被記錄下來，平均為25毫米。在每個密封段周圍的半圓柱形虛擬表面上集成輻射聲強(qiáng)，以估算輻射聲功率Wr。密封系統(tǒng)內(nèi)部的入射聲強(qiáng)度是由點聲源引起的SEA混響壓力估計的，并輔以從該點源到密封段中心的直接場計算。使用CFD模型中每個密封段的外部流體面積作為參考，估計入射聲功率Wi，每個頻段中每個密封段的分貝傳輸損失計算為：

數(shù)值方法

通過圖4所示的過程，對車輛內(nèi)部的風(fēng)噪聲進(jìn)行了仿真。瞬態(tài)、可壓縮的CFD代碼模擬車輛外部面板和密封表面的波動壓力負(fù)荷。在頻域?qū)@些瞬態(tài)壓力進(jìn)行了分析，以開發(fā)結(jié)構(gòu)聲學(xué)車輛模型的載荷。對于模型中的每個主動面板，計算了結(jié)構(gòu)和聲學(xué)負(fù)荷，作為車輛模型面板的振動和內(nèi)部機(jī)艙噪聲提供輸入。在這個模型中，密封作為附加面板，與TL光譜實驗指定的機(jī)艙聲學(xué)耦合。

圖4  室內(nèi)風(fēng)噪聲的仿真過程

外部流量

采用PowerFLOW計算非定常流以及相應(yīng)的流誘導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生和在車輛表面的傳播?；诰Ц竦姆椒ㄊ秋@式的、瞬態(tài)的和可壓縮的。LBM的基本思想是跟蹤流體粒子的平流和碰撞。由于具有代表性的流體體積中粒子的平均數(shù)量大大超過了單獨跟蹤它們所需的計算能力，這些粒子被分組為指數(shù)為i的整數(shù)離散方向。計算遵循粒子分布函數(shù)fi，它表示每單位體積的粒子數(shù)，也稱為體素，在一個特定的時間和位置隨速度ci移動。就像在統(tǒng)計物理學(xué)中一樣，流動變量，如密度和速度，是通過在粒子分布函數(shù)的離散方向集合上取適當(dāng)?shù)木兀ê停﹣泶_定的。該LBM求解器在汽車風(fēng)噪聲應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用和驗證。

噪聲傳播

統(tǒng)計能量分析（SEA）是一種模擬中高頻動態(tài)的方法框架，它考慮了模式群的統(tǒng)計集合和它們之間的動態(tài)能量交換。湍流激發(fā)結(jié)構(gòu)用湍流壁壓力波動來描述，在每個面板上提供一個隨機(jī)分布的力。湍流也會輻射聲場，即使是在作用于剛性結(jié)構(gòu)或自由剪切層上。在高速公路速度下，這個聲場大約是湍流波動的速度的10倍，比湍流更有效地與典型的結(jié)構(gòu)波長耦合。因此，在激發(fā)公式中，利用低通波數(shù)濾波器將外部聲場與湍流分離。前側(cè)玻璃被建模為一個層壓的SEA面板，并連接到聲學(xué)子系統(tǒng)。密封段被創(chuàng)建為特殊的傳輸損失面板，并耦合到適當(dāng)?shù)膬?nèi)部子系統(tǒng)。圖5顯示了密封件管段的布局。這些劃分是基于流動結(jié)構(gòu)引起的激勵變化，以及密封部分或密封數(shù)量的潛在變化。

圖5   門密封（Dn）和玻璃密封（Gn）分段

客艙聲學(xué)建模

在后分析軟件PowerACOUSTICS中實現(xiàn)該方法，該SUV的內(nèi)部體積被劃分為20個SEA聲學(xué)子系統(tǒng)，以模擬內(nèi)部聲壓級（SPL）的梯度。對于左右兩側(cè)，有上、中、下聲學(xué)子系統(tǒng)，以及擋風(fēng)玻璃儀表板上方的空間。選擇麥克風(fēng)位置以匹配駕駛員頭部位置。

結(jié)果

風(fēng)噪聲計算過程的總體目標(biāo)是設(shè)計出更好、更安靜的產(chǎn)品。這首先是識別外部設(shè)計的特征，可以修改以減少內(nèi)部風(fēng)噪聲。為了對重要的外部特征進(jìn)行優(yōu)先排序，首先使用內(nèi)部噪聲模型來定位超過目標(biāo)的頻率范圍和在這些頻率范圍內(nèi)有貢獻(xiàn)的頻率范圍。對于在零偏航下運行的車輛，在2kHz處的最高貢獻(xiàn)密封區(qū)域是前側(cè)玻璃密封G1和G2。對于本技術(shù)論文的邏輯進(jìn)展，將首先給出外部噪聲模擬的結(jié)果，然后將內(nèi)部噪聲模擬與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

外部來源

在左前門區(qū)域模擬的瞬態(tài)湍流如圖6所示，顯示了渦旋核的快照，用渦旋度的大小著色。從前輪和輪井、罩流渦、鏡面尾流和A柱渦中可以識別出主要的分離流區(qū)。

圖6   流動快照中的瞬態(tài)湍流渦旋，表示渦度大小（紅色為高渦度）

我們選擇了2kHz波段進(jìn)行檢查，作為來自前側(cè)玻璃上的玻璃密封件產(chǎn)生內(nèi)部噪音的一個重要貢獻(xiàn)者。雖然湍流是面板外部壓力波動的很大因素，但由于聲場中波長和玻璃的彎曲模式的空間耦合，聲路徑在較高的頻率下通常占主導(dǎo)地位。在這里使用的簡化TL傳輸模型中，密封件的貢獻(xiàn)僅來自聲源。集中聲負(fù)荷的位置由圖7所示的聲功率譜的熱點表示。該結(jié)果是通過應(yīng)用聲波數(shù)（空間）濾波器從面板和密封上的瞬態(tài)波動壓力計算出來的，然后對每個外表面測量元件（surfel）進(jìn)行功率譜計算。

圖7   聲波數(shù)過濾壓力，2kHz波段，30dB比例從紅色到藍(lán)色

雖然側(cè)鏡后面的區(qū)域的聲負(fù)荷通常很高，但不清楚是哪個幾何形狀在玻璃密封上產(chǎn)生了這些熱點。當(dāng)聲源可以突出時，表面聲載荷的原因會更加明顯。在圖8中，由流體中的聲學(xué)功率密度計算了2kHz的波段。這種顯示體積區(qū)域內(nèi)的源的可視化技術(shù)已經(jīng)被非常有效地跟蹤面板熱點產(chǎn)生的噪聲。在這款SUV中，流動后面的鏡子基座和三角形面板顯然是聲源。相比之下，鏡子尾流中的噪聲源和來自A柱后渦流的噪聲源離這個熱點更遠(yuǎn)，因此不太可能是原因。

圖8   空氣中的流動誘導(dǎo)噪聲源（鉻色），聲波數(shù)過濾表面壓力，所有在2kHz波段

內(nèi)部噪聲驗證

使用從315Hz到8kHz的內(nèi)部噪聲譜提出了三種配置：

1、只有側(cè)邊玻璃；

2、門的密封件和側(cè)邊玻璃；

3、玻璃密封、門密封和側(cè)玻璃。

所有內(nèi)部SPL結(jié)果繪制在40dB范圍內(nèi)，在圖中每個劃分為5dB。側(cè)玻璃內(nèi)部噪聲的實驗配置如圖3所示，如圖2所示的玻璃面板阻塞器被拆除，所有密封線都粘在外部。在模擬結(jié)果的情況下，玻璃的貢獻(xiàn)是在沒有其他面板或密封件載荷的情況下計算的。相關(guān)性在1000Hz以上表現(xiàn)良好。

圖9  內(nèi)部駕駛員頭部聲壓級，A加權(quán)，僅側(cè)玻璃

通過去除門密封帶和膩子，實現(xiàn)了門密封加側(cè)玻璃配置，如圖10所示。在圖11中，只繪制了門密封加上側(cè)玻璃和僅加側(cè)玻璃之間的分貝差異，顯示了來自門密封的額外分貝貢獻(xiàn)的頻譜。這些是在1-3dB范圍內(nèi)，在1250Hz以下的頻段。有一種模擬過度預(yù)測這些貢獻(xiàn)的趨勢，被認(rèn)為是由于基線實驗中未模擬的貢獻(xiàn)，在這種情況下，圖9中只有側(cè)玻璃的SPL。

圖10  內(nèi)部駕駛員頭聲壓級，A加權(quán)，側(cè)玻璃和門密封

圖11  門密封的分貝貢獻(xiàn)譜；側(cè)玻璃和門密封的內(nèi)部駕駛員頭聲壓級減去僅側(cè)玻璃的聲壓級 

圖12  內(nèi)部駕駛員頭聲壓級，A加權(quán)，側(cè)玻璃，門密封和玻璃密封

圖12顯示了側(cè)玻璃、門密封和玻璃密封的內(nèi)部SPL光譜，圖13顯示了超過基線（僅限側(cè)玻璃）的分貝貢獻(xiàn)，即門和玻璃密封的額外組合貢獻(xiàn)。

圖13  玻璃密封和門密封的分貝貢獻(xiàn)光譜；內(nèi)部駕駛員頭部三八度聲壓級減去側(cè)玻璃的聲壓級

玻璃密封的貢獻(xiàn)有明顯的頻率趨勢，在2kHz左右上升到峰值，然后再次下降和上升。這是由于4-5kHz左右的側(cè)玻璃重合引起的（見圖9）。玻璃密封模擬的最差相關(guān)性發(fā)生在2500Hz。原因是在G2腰部密封的“下降”。雖然對實驗數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了審查，發(fā)現(xiàn)這是可以接受的，但觀察到不同玻璃密封段的TL之間的散射相當(dāng)高。這可能表明，在進(jìn)行TL計算之前，在點對點測量中增加平均量是可取的。

對玻璃密封傳輸損耗的靈敏度

利用SEA模型中實驗玻璃密封TL譜的平均值，模擬SPL譜變化為圖14所示和圖15所示的delta dB貢獻(xiàn)。在2500 Hz時的最大誤差已減少到僅3.3 dB，但在低頻段和高頻段的精度有所下降。在實踐中，預(yù)計在源位置、多個車輛和頻帶的增加上，需要進(jìn)一步平均密封TL。

圖14  內(nèi)部駕駛員頭聲壓級、A加權(quán)、側(cè)玻璃、門密封和玻璃密封（平均TL)

圖15  玻璃密封（平均TL)和門密封的分貝貢獻(xiàn)譜；內(nèi)部駕駛員頭聲壓級減去側(cè)玻璃的聲壓級

總結(jié)

汽車產(chǎn)品開發(fā)過程面臨的挑戰(zhàn)很多。精確的風(fēng)噪聲可以在測試之前節(jié)省時間和成本。由于內(nèi)部風(fēng)噪聲通常由動態(tài)密封所主導(dǎo)，因此在設(shè)計過程中，需要盡早使用可靠的計算能力來預(yù)測通過密封傳輸?shù)膬?nèi)部噪聲。本文描述了一種計算過程，可用于預(yù)測在設(shè)計過程的早期通過密封傳遞的內(nèi)部噪聲。該過程采用了基于晶格玻爾茲曼方法（LBM）的計算流體動力學(xué)（CFD）求解器來預(yù)測瞬態(tài)氣流和外部噪聲源。使用統(tǒng)計能量分析（SEA）求解器通過玻璃面板和密封將這些源的噪聲傳輸?shù)綑C(jī)艙。通過車載聲傳遞函數(shù)測試，對密封件的噪聲傳遞性能進(jìn)行了特征分析。在空氣聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行了實驗，以量化通過玻璃板、門密封和玻璃密封傳遞的噪聲，從而驗證計算預(yù)測。未來的改進(jìn)將致力于加強(qiáng)門和玻璃密封的密封傳輸損失光譜數(shù)據(jù)庫，并可能將該過程擴(kuò)展到后提升門密封。通過密封對車輛聲傳遞函數(shù)進(jìn)行空間采樣和平均，有望提高精度。